Introduction. I/ Caractéristiques Aérodynamiques

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2 SOMMAIRE Introduction p.1 I/ Caractéristiques aérodynamiques p.1 II/ Caractéristiques mécaniques p.4 III/ Caractéristiques électriques p.7 IV/ Gamme et fiches techniques p.7

3 Introduction Le STATOEOLIEN est une éolienne à axe vertical, constituée d un stator fixe et d un rotor mobile, destinée à être implantée en milieu urbain. Il offre la possibilité de produire de l énergie renouvelable au cœur des villes tout en s intégrant parfaitement esthétiquement et techniquement aux structures bâties. Il est adapté aux vents urbains à fort caractère turbulent, ainsi qu aux contraintes architecturales modernes. Rotor Stator I/ Caractéristiques Aérodynamiques Vent incident Le caractère axisymétrique du STATOEOLIEN lui permet d être totalement indépendant vis-à-vis de la direction du vent. En effet, les ailettes fixes du stator et les aubes mobiles du rotor sont réparties de manière symétrique autour de l axe vertical de la machine, ne favorisant ainsi aucune direction privilégiée de fonctionnement. Il en résulte un fonctionnement optimal quelle que soit la direction du vent, ce qui est particulièrement utile en milieu urbain, dans la mesure où les écoulements turbulents se manifestent par des changements fréquents de direction. 1

4 Principes du Stator : L utilisation d un stator présente trois avantages principaux : Vent 1/ Tout d abord, le stator permet de canaliser de manière optimale l écoulement de l air sur l intrados des aubes rotor, afin de générer le maximum de puissance. Déviation de l écoulement vers l intrados des aubes rotor Rotor 2/ Le stator offre la possibilité d intégrer à la machine une structure tubulaire rigide, ce qui permet au STATOEOLIEN de résister à des vents violents. Cette structure entoure le rotor et le maintient solidement, récupérant ainsi tous les efforts et les vibrations aérodynamiques qu il génère (tourbillons au niveau des aubes, variation cyclique du couple appliqué à l arbre ). Stator Zones de turbulence générées par le stator pour empêcher le vent de pénétrer dans la machine 3/ Lorsque les aubes rotor présentent leur extrados au vent, elles génèrent un couple opposé au sens de rotation normal. Il en résulte une chute de puissance. C est pourquoi le stator a été conçu pour générer au niveau de cette zone dite "frein" des turbulences qui vont empêcher le vent de pénétrer dans la machine et donc de la freiner. Vent 2

5 Aubes rotor et Ailettes stator Les aubes du rotor ont été conçues de manière à générer le maximum de portance quelle que soit leur position par rapport au vent incident. Leur forme résulte d études aérodynamiques complexes (modélisations numériques). Elles sont construites sur le même principe que les ailes des avions modernes (technique dite de "Nervures + Peau"), ce qui leur permet d être légères et rigides à la fois. Modélisation numérique d une aube rotor Nervures Peau Tubes acier Le système d ancrage des ailettes comme des aubes permet un montage et un démontage particulièrement simples. Rendant ainsi plus facile non seulement l installation mais également la maintenance au niveau des profils (contrôle, nettoyage, changement). Technique de fabrication d une ailette stator Récapitulatif des avantages aérodynamiques Insensibilité à la direction du vent Insensibilité à la force du vent 3

6 II/ Caractéristiques Mécaniques Rigidité de la structure stator La structure tubulaire du STATOEOLIEN lui permet de résister à des vents supérieurs à 220 km/h, tout en restant compacte et esthétique (absence de haubans ou de systèmes externes d ancrage). Par ailleurs, les ailettes stator et les aubes rotor sont maintenues à leurs deux extrémités, ce qui élimine les problèmes de stabilité mécanique dus à un montage en porte-à-faux. En effet, la fixation d un profil aérodynamique (aile d avion ou pales d éolienne à hélices par exemple) entraîne une instabilité mécanique, qui devient source de vibrations et de fatigue du matériau. Par ailleurs, le STATOEOLIEN ne nécessite pas l utilisation d un pylône lorsqu il est implanté sur une construction : il s installe directement sur la structure du toit. En revanche, un pylône peut devenir nécessaire lorsque aucune construction ne peut recevoir la machine (installations en milieux isolés, pompage d eau ). Tubes en acier peint (stator) et en aluminium (rotor) Efforts Légèreté du rotor Déplacements Efforts Encastrements Comparaison entre une structure en porteà-faux (à gauche) et une structure maintenue à ses deux extrémités (à droite). La première est instable mécaniquement (vibrations, contraintes élevées au niveau de l encastrement). En revanche, la seconde répartit aussi bien les efforts que les vibrations au encastrements. Elle conduit à une stabilité maximale. Le rotor est fabriqué en aluminium, de manière à réduire son poids, et ainsi de pouvoir moduler rapidement sa vitesse de rotation en fonction de la vitesse du vent. 4

7 Facilité d intégration L aspect compact du STATOEOLIEN et sa forme cylindrique lui permettent de s adapter à un grand nombre de configuration architecturales. Il s intègre donc parfaitement aussi bien à des toits plans qu à des charpentes inclinées. Exemples d intégration du STATOEOLIEN Fonctionnement en couple et non pas en vitesse de rotation Le STATOEOLIEN fonctionne en couple et non en vitesse de rotation, ce qui se traduit par une réduction de la vitesse linéaire des aubes rotor. Alors que la vitesse en bout de pales des éoliennes à hélices peut facilement atteindre 400 km/h, les aubes du STATOEOLIEN ne dépassent pas 85 km/h, ce qui élimine les vibrations et réduit considérablement les efforts centrifuges. Par ailleurs, de faibles vitesses de rotation offrent un niveau de sécurité amélioré (réduction du temps d arrêt d urgence). Absorption des vibrations Toute la structure tubulaire du STATOEOLIEN a été étudiée de manière à ne générer que très peu de vibrations dues au phénomène de résonance. En parallèle, le STATOEOLIEN est équipé de suspensions élastomères destinées à filtrer les vibrations qui pourraient être transmises au bâtiment (absorption des fréquences propres de la structure métallique). Il en résulte un niveau sonore en fonctionnement particulièrement faible, voire nul. 5

8 Sécurité et Maintenance réduite Dans la mesure où le STATOEOLIEN est destiné à fonctionner en milieu urbain, il se doit d être parfaitement conçu d un point de vue sécurité. C est pourquoi il est équipé de plusieurs dispositifs de sécurité : d une part d un dispositif de limitation de la vitesse de rotation pour des vents supérieurs à 150 km/h, et d autre part d un frein à disque électromécanique par manque de courant intégré au générateur, qui stoppe la machine en cas de panne de courant, de danger, ou de vibration anormale (capteur intégré). Il est utile de rappeler que le stator constitue lui-même un dispositif de sécurité puisqu il réduit l accès, de personnes comme d objets, au rotor en mouvement. Enfin, des dispositifs anti-basculement équipent chaque point d ancrage (4 au total) de la machine. Ces derniers éliminent les risques d arrachement par basculement de la machine lors de tempêtes. Insensibilité aux agressions extérieures Le stator est construit en acier peint, et le rotor en aluminium, ce qui élimine tout risque de corrosion prématurée ou de dégradation des propriétés mécaniques des composants de la machine suite aux agressions extérieures telles que les UV, le vent, la chaleur, ou encore les atmosphères salines. Il en résulte une fiabilité accrue et une diminution des opérations de maintenance. Quant à la chaîne électrotechnique, elle est dimensionnée selon la norme IP 54, qui la protège contre les projections d eau et la poussière. Par ailleurs, le STATOEOLIEN a été conçu de manière à réduire au maximum les opérations de maintenance. Ainsi, les roulements (palier auto-aligneur et roulement conique situés respectivement au sommet et à la base du rotor) sont garantis à vie, et leur vérification est réalisable très facilement grâce à un système de cage du roulement entièrement démontable. En ce qui concerne le multiplicateur, une vidange tous les 4 ans et un changement complet tous les 10 ans sont nécessaires. Quant à la chaîne électrotechnique (générateur, électronique de puissance), elle devra faire l objet d un contrôle annuel, de la même manière que l éolienne entière. Ces opérations de maintenance seront facilitées par le fait que la machine n est pas installée au sommet d un pylône, mais placée sur un toit. De plus, elles seront réalisées dans des conditions de sécurité optimales, Récapitulatif des avantages mécaniques Facilité d intégration Fiabilité élevée Faible niveau sonore Sécurité élevée Maintenance réduite 6

9 III/ Caractéristiques Electriques L énergie mécanique produite par le STATOEOLIEN peut ensuite être : - soit convertie en courant continu, et charger des batteries, - soit convertie en courant alternatif et alimenter le site d installation, - soit convertie en courant alternatif réinjecté sur le réseau national (EDF), - soit directement utilisée pour réaliser du pompage d eau, - soit directement utilisée pour actionner une machine mécanique. La partie électromécanique, à savoir le multiplicateur et le générateur, est intégrée à la structure du STATOEOLIEN. Elle est par ailleurs accompagnée d un carter d isolation phonique afin d éliminer les nuisances sonores. La chaîne électrotechnique du STATOEOLIEN est constituée : - d un multiplicateur - d un générateur, de type synchrone ou asynchrone selon modèle, - d un servo-variateur de fréquence, intégrant un automate et un bus continu, - d un module de réinjection réseau, - de filtres réseau. Le principe de régulation de puissance du STATOEOLIEN et de type "pilotage du couple", et est réalisé de manière électronique au niveau de l automate intégré au variateur. Ce système de régulation permet au STATOEOLIEN de fonctionner au maximum de sa puissance sans avoir recours à l installation d un anémomètre. Gamme : IV/ Gamme et Fiches techniques GUAL Industrie construit deux modèles : le GSE4 et le GSE 8, dont les fiches techniques sont présentées ci-après. 7

10 STATOEOLIEN GSE 4 Caractéristiques techniques : Diamètre / Hauteur : Vitesse de démarrage : Vitesse maximale : Puissance à 15 m/s (54 km/h) : Puissance à 25 m/s (90 km/h) : Puissance à 40 m/s (140 km/h) : Vitesse de rotation : Génératrice : Régulation de Puissance : Masse : Maintenance : Garantie : 4m / 1,5 m 2 m/s (7 km/h) 60 m/s (216 km/h) 1,3 kw 4,4 kw 10 kw de 0 à 120 tours/min Synchrone à aimants permanents Pilotage électronique direct du couple Environ 800 kg Inspection annuelle 3 ans Courbe de puissance 12,00 10,00 Puissance en kw 8,00 6,00 4,00 2,00 0, Vitesse du Vent en m/s 8

11 STATOEOLIEN GSE 8 Caractéristiques techniques : Diamètre / Hauteur : Vitesse de démarrage : Vitesse maximale : Puissance à 15 m/s (54 km/h) : Puissance à 25 m/s (72 km/h) : Puissance à 40 m/s (144 km/h) : Vitesse de rotation : Génératrice triphasée : Régulation de Puissance : Masse : Maintenance : Garantie : 8 m / 3 m 2 m/s (7,2 km/h) 60 m/s (216 km/h) 6 kw 19.3 kw 36 kw de 0 à 60 tours/min Asynchrone à cage d écureuil Pilotage électronique direct du couple Environ kg Inspection annuelle 3 ans Courbe de puissance 40,00 35,00 30,00 Puissance en kw 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0, Vitesse du Vent en m/s 9